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EP1737272A1 - Cellule de chauffage ohmique - Google Patents

Cellule de chauffage ohmique Download PDF

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EP1737272A1
EP1737272A1 EP06290993A EP06290993A EP1737272A1 EP 1737272 A1 EP1737272 A1 EP 1737272A1 EP 06290993 A EP06290993 A EP 06290993A EP 06290993 A EP06290993 A EP 06290993A EP 1737272 A1 EP1737272 A1 EP 1737272A1
Authority
EP
European Patent Office
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fluid
electrode
bulged portion
flow
electrodes
Prior art date
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EP06290993A
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German (de)
English (en)
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EP1737272B1 (fr
Inventor
Marc Berthou
Christian Aussudre
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Electricite de France SA
Original Assignee
Electricite de France SA
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/04—Heat
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/60—Heating arrangements wherein the heating current flows through granular powdered or fluid material, e.g. for salt-bath furnace, electrolytic heating

Definitions

  • the present invention relates to a heating device of the type comprising at least two electrodes connectable to a source of voltage and means for generating a continuous flow of the fluid along a path passing between the two electrodes, in particular for the heat treatment of products Fluid agribusiness.
  • this type of device has the disadvantage of a strong fouling at the contact surface, for example in the case of dairy products (beverages, plant extracts). This poses a health problem, but also efficiency, since the fluid is no longer in direct contact with the surface of the exchanger. It is therefore imperative to interrupt the operation of the device regularly in order to clean it.
  • an inhomogeneity of the treatment is characteristic of this type of heating since the temperature of the fluid in all points of the device is not controlled and also depends on the rate of fouling of the surface of the exchanger.
  • FIG. 3 illustrates a known device of this type.
  • This device comprises a phase electrode 21, in the form of an injection nozzle at the inlet 11 of the fluid 10, and a ground electrode 22, forming the bottom of the device, at the outlet 12 of the fluid 10.
  • An outer wall 20 of insulating material separates the two electrodes.
  • a cooling circuit 23 regulates the temperature of the ground electrode 22.
  • a level detector 30 operating for example with the aid of a laser beam, acts on a nitrogen injection 31, thus varying the internal pressure of the device, which adjusts the fluid flow.
  • the level detector 30 controls that the fluid level h does not exceed a predetermined value. For this, it acts on the injection of nitrogen gas 31 so as to vary the pressure in the device, causing a variation in the output flow.
  • Such a device allows an almost uniform treatment of the fluid 10 and continuously.
  • the heating is extremely fast.
  • the reduced contact with the walls makes it possible to limit the energy losses through the walls and provides a higher efficiency than this device.
  • the invention provides a device for heating a fluid continuously, in which a current flows through the fluid to be heated.
  • the invention therefore proposes a heating device comprising at least two electrodes connectable to a source of voltage and means for generating a continuous flow of the fluid along a path passing between the two electrodes, characterized in that one at less electrodes extends transversely to the flow path and has a bulged portion disposed on said path so that fluid flows around said bulged portion.
  • the bulged portion is ovoid.
  • FIG. 1 represents a device according to a first embodiment. It comprises an outer wall 20, a phase electrode 21 in the form of a nozzle and a mass electrode 22, a portion of which is of ovoid shape. A cooling circuit 23 is included in the ground electrode 22. A level detector 30 controls the fluid level 10 in the lower part of the device. A nitrogen injection port 31 allows to increase the pressure inside the device so as to regulate the flow at the outlet 12 of the device.
  • the fluid 10 to be heated enters the device through the inlet 11. Then, it is directed by the nozzle-shaped phase electrode 21 on the ground electrode 22. Due to the potential difference between the electrode of phase 21 and the ground electrode 22, a current flows in the fluid portion between these two elements. Fluid 10 flows around the ovoid portion of the ground electrode 22 and flows to the bottom of the device.
  • the level detector 30 controls that the fluid level 10 does not reach the ground electrode 22. If the level increases too much, the level detector 30 sends a signal to a nitrogen injection device 31 to increase the internal pressure of the device and thus increase the output flow of the fluid 10.
  • This embodiment has the advantage of simplifying the temperature regulation of the fluid. Indeed, the resistance of the fluid section to be heated is substantially constant since its diameter is constant. For a given voltage, the power transferred to the fluid during its passage between the two electrodes only depends on the input flow of the fluid 10. For this reason, the level detector 30 does not require a great precision since it does not that check that the fluid level 10 at the bottom of the device does not exceed the level of the ground electrode 22. In addition, the fouling on the ground electrode 22 is decreased because of its shape. Finally, the homogeneity of treatment is increased since the flow velocity of the fluid 10 is substantially uniform between the two electrodes.
  • FIG. 2 a second embodiment illustrated in FIG. 2 is proposed.
  • the ground electrode 22 is spherical. It is rotated about its axis transverse to the fluid path by a motor 24.
  • a doctor blade 25 is in contact with the lower surface of the spherical portion of the ground electrode 22 due to the rotation of the electrode. 22 mass, the doctor blade rubs on the outer surface of the spherical portion of the mass electrode thus removing any fluid residue that could cause fouling.
  • this embodiment makes it possible to further limit the fouling of the device and to simplify the temperature regulation of this device. Therefore, the interruptions for cleaning the device are limited and this device can operate continuously for a longer period.
  • this invention also makes it possible to control the formation of fouling on the electrodes.
  • this device does not include hot wall and allows to achieve a speed of treatment and a high temperature range compared to the device with heat exchanger.
  • de-fouling means may also comprise an ultrasonic generator placed on the ground electrode.
  • the device is removable and can be modulated to change nozzles more suitable for other flow rates.

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Abstract

Dispositif de chauffage d'un fluide (10) comprenant au moins deux électrodes (21,22) raccordables à une source de tension et des moyens (21) pour générer un écoulement continu du fluide le long d'un trajet passant entre les deux électrodes, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes (22) s'étend transversalement au trajet d'écoulement et comporte une portion renflée placée sur ledit trajet de façon que le fluide (10) s'écoule autour de ladite portion renflée.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif de chauffage du type comprenant au moins deux électrodes raccordables à une source de tension et des moyens pour générer un écoulement continu du fluide le long d'un trajet passant entre les deux électrodes, notamment pour le traitement thermique de produits agroalimentaires fluides.
  • Afin de convenir aux différentes normes d'hygiène et de qualité, de nombreux produits agroalimentaires doivent subir un traitement physique et/ou chimique. Ainsi, la stérilisation de certains produits fluides est généralement obtenue par chauffage. Il est courant d'effectuer cette opération de chauffage au moyen d'un dispositif comportant un échangeur thermique qui a une surface de contact avec le fluide à chauffer.
  • Cependant, ce type de dispositif présente l'inconvénient d'un fort encrassement au niveau de la surface de contact, par exemple dans le cas de traitement de produits laitiers (boissons, extraits végétaux). Cela pose un problème sanitaire, mais également de rendement, puisque le fluide n'est plus en contact direct avec la surface de l'échangeur. Il est donc impératif d'interrompre le fonctionnement du dispositif de manière régulière afin de le nettoyer.
  • De plus, une inhomogénéité du traitement est caractéristique de ce type de chauffage puisque la température du fluide en tous points du dispositif n'est pas maîtrisée et dépend également du taux d'encrassement de la surface de l'échangeur. En outre, pour obtenir un chauffage plus homogène, il faut induire dans le fluide des mouvements de convection d'où une perte d'énergie.
  • Dans le cas d'un dispositif du type mentionné en introduction, la résistance interne du fluide permet de transformer directement l'énergie électrique en énergie thermique par effet Joule. La figure 3 illustre un dispositif connu de ce type. Ce dispositif comprend une électrode de phase 21, en forme de buse d'injection au niveau de l'entrée 11 du fluide 10, et une électrode de masse 22, formant le fond du dispositif, au niveau de la sortie 12 du fluide 10. Une paroi extérieure 20 en matériau isolant sépare les deux électrodes. Un circuit de refroidissement 23 régule la température de l'électrode de masse 22. Un détecteur de niveau 30 fonctionnant par exemple à l'aide d'un faisceau laser, agit sur une injection d'azote 31, faisant ainsi varier la pression interne du dispositif, ce qui permet de régler le débit du fluide.
  • Les électrodes 21 et 22 sont raccordées à une source de tension, par exemple une source alternative de 1000 V avec une fréquence de 25kHz. Par conséquent, un courant alternatif circule dans la portion du fluide comprise entre les deux électrodes. Du fait de la résistance interne du fluide 10, celui-ci s'échauffe rapidement. Cette résistance est fonction du volume de fluide traversé. Ainsi, dans le cas précédent, on a : R = K . h / D 2 + H − h / d 2 ,
    Figure imgb0001
    où R est la résistance du fluide, K est proportionnelle à la résistivité du fluide 10, H la distance séparant les électrodes 21 et 22, h le niveau de fluide 10 au fond du dispositif, D le diamètre du dispositif et d le diamètre du jet de fluide 10. La puissance transférée au fluide est directement fonction de cette résistance, égale à : P = U 2 / R ,
    Figure imgb0002
    où U est la tension entre les deux électrodes. Le détecteur de niveau 30 contrôle que le niveau de fluide h ne dépasse pas une valeur prédéterminée. Pour cela, il agit sur l'injection d'azote gazeux 31 de manière à faire varier la pression dans le dispositif, provoquant une variation du débit de sortie.
  • Un tel dispositif permet un traitement quasiment uniforme du fluide 10 et en continu. De plus, le chauffage est extrêmement rapide. Le contact réduit avec les parois permet de limiter les pertes d'énergie au travers des parois et procure un rendement supérieur à ce dispositif.
  • Cependant, un fort encrassement se développe sur l'électrode de masse 22 au fond du dispositif, ce qui impose un arrêt régulier du dispositif pour le nettoyer. Ensuite, un asservissement en température de ce dispositif est rendu difficile par les différentes non-linéarités de la puissance de chauffage transmise au fluide. Cette puissance est fonction du taux d'encrassement de l'électrode de masse, mais il est très difficile d'estimer cet encrassement. En outre, une inhomogénéité de température persiste dans la partie basse du dispositif, puisque le fluide 10 à proximité des parois extérieures est évacué moins rapidement et est donc traversé par le courant électrique plus longtemps. De plus, la perturbation 13 de la surface du liquide peut engendrer une erreur du détecteur de niveau 30, induisant une erreur de commande de la régulation.
  • Un but de la présente invention est de pallier ces différents inconvénients. Pour cela, l'invention propose un dispositif de chauffage d'un fluide en continu, dans lequel un courant traverse le fluide à chauffer.
  • L'invention propose donc un dispositif de chauffage comprenant au moins deux électrodes raccordables à une source de tension et des moyens pour générer un écoulement continu du fluide le long d'un trajet passant entre les deux électrodes, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes s'étend transversalement au trajet d'écoulement et comporte une portion renflée placée sur ledit trajet de façon que le fluide s'écoule autour de ladite portion renflée.
  • Conformément à un aspect de l'invention, la portion renflée est ovoïde.
  • Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif comporte avantageusement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • ■ la portion renflée est sensiblement sphérique, et l'électrode comportant la portion renflée est agencée pour être entraînée en rotation autour de son axe transversal au trajet d'écoulement.
    • ■ le dispositif comprend en outre des moyens de désencrassement d'une surface extérieure de ladite portion renflée de l'électrode, comme par exemple une racle en contact avec au moins une portion de la surface extérieure de la portion renflée, ou un générateur d'ultrasons.
    • ■ un circuit de refroidissement est compris à l'intérieur de l'électrode comportant ladite portion renflée.
    • ■ Le dispositif comprend en outre une paroi extérieure entourant de manière espacée la portion renflée de l'électrode, la paroi extérieure pouvant être en matériau isolant thermiquement et électriquement.
    • ■ Le dispositif comporte également une entrée de fluide à chauffer entrant avec un débit d'entrée et une sortie de fluide chauffé sortant avec un débit de sortie, des moyens de régulation du débit d'entrée et un détecteur de niveau, dans lequel la sortie de fluide et le détecteur de niveau sont placés en aval de l'électrode comportant ladite portion renflée le long du trajet d'écoulement, et dans lequel le détecteur de niveau transmet un signal fonction du niveau de fluide en sortie aux moyens de régulation de débit d'entrée.
  • D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est un schéma représentant un premier mode de réalisation, conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est un schéma représentant un deuxième mode de réalisation, conforme à l'invention ;
    • la figure 3, déjà décrite, représente un dispositif conforme à l'état de la technique.
  • Sur les différentes figures, on a conservé les mêmes références pour les éléments identiques ou équivalents.
  • La figure 1 représente un dispositif selon un premier mode de réalisation. Il comprend une paroi extérieure 20, une électrode de phase 21 en forme de buse et une électrode de masse 22 dont une portion est de forme ovoïde. Un circuit de refroidissement 23 est compris dans l'électrode de masse 22. Un détecteur de niveau 30 permet de contrôler le niveau de fluide 10 dans la partie inférieure du dispositif. Un orifice d'injection d'azote 31 permet d'augmenter la pression à l'intérieur du dispositif de manière à réguler le débit à la sortie 12 du dispositif.
  • Le fluide 10 à chauffer pénètre dans le dispositif par l'entrée 11. Puis, il est dirigé par l'électrode de phase 21 en forme de buse sur l'électrode de masse 22. En raison de la différence de potentiel entre l'électrode de phase 21 et l'électrode de masse 22, un courant circule dans la portion de fluide comprise entre ces deux éléments. Le fluide 10 s'écoule autour de la partie ovoïde de l'électrode de masse 22 puis s'écoule vers le fond du dispositif. Le détecteur de niveau 30 contrôle que le niveau de fluide 10 n'atteint pas l'électrode de masse 22. Si le niveau augmente trop, le détecteur de niveau 30 envoie un signal à un dispositif d'injection d'azote 31 pour faire augmenter la pression interne du dispositif et ainsi augmenter le débit de sortie du fluide 10.
  • Ce mode de réalisation a l'avantage de simplifier la régulation en température du fluide. En effet, la résistance de la section de fluide à chauffer est sensiblement constante puisque son diamètre est constant. Pour une tension donnée, la puissance transférée au fluide lors de son passage entre les deux électrodes ne dépend que du débit d'entrée du fluide 10. Pour cette raison, le détecteur de niveau 30 ne requiert pas une grande précision puisqu'il ne fait que contrôler que le niveau de fluide 10 au fond du dispositif ne dépasse pas le niveau de l'électrode de masse 22. En outre, l'encrassement sur l'électrode de masse 22 est diminué en raison de sa forme. Enfin, l'homogénéité de traitement est accrue puisque la vitesse d'écoulement du fluide 10 est sensiblement uniforme entre les deux électrodes.
  • Afin de limiter encore l'encrassement des électrodes, un second mode de réalisation illustré à la figure 2 est proposé. Dans ce mode de réalisation, l'électrode de masse 22 est sphérique. Elle est mise en rotation autour de son axe transversal au trajet de fluide par un moteur 24. Une racle 25 est en contact avec la surface inférieure de la portion sphérique de l'électrode de masse 22 en raison de la rotation de l'électrode de masse 22, la racle frotte sur la surface extérieure de la portion sphérique de l'électrode de masse supprimant ainsi tout résidu de fluide qui pourrait provoquer un encrassement.
  • Ainsi, en gardant le rendement élevé du mode de réalisation précédent, ce mode de réalisation permet de limiter encore l'encrassement du dispositif et de simplifier la régulation en température de ce dispositif. Par conséquent, les interruptions pour nettoyer le dispositif sont limitées et ce dispositif peut fonctionner en continu pendant une plus longue durée.
  • Ainsi, tout en augmentant le rendement, cette invention permet également de maîtriser la formation d'encrassement sur les électrodes. En outre, ce dispositif ne comprend pas de paroi chaude et permet d'atteindre une rapidité de traitement ainsi qu'une plage de température élevée par rapport au dispositif avec échangeur thermique.
  • Selon un autre aspect de l'invention, des moyens de désencrassement peuvent également comprendre un générateur d'ultrasons placé sur l'électrode de masse.
  • Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif est démontable et peut être modulé afin de changer des buses plus adaptées à d'autres débits.

Claims (10)

  1. Dispositif de chauffage d'un fluide (10) comprenant au moins deux électrodes (21, 22) raccordables à une source de tension et des moyens (21) pour générer un écoulement continu du fluide le long d'un trajet passant entre les 2 électrodes, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes (22) s'étend transversalement au trajet d'écoulement et comporte une portion renflée placée sur ledit trajet de façon que le fluide (10) s'écoule autour de ladite portion renflée.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite portion renflée est ovoïde.
  3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite portion renflée est sensiblement sphérique, et l'électrode (22) comportant ladite portion renflée est agencée pour être entraînée en rotation autour de son axe transversal au trajet d'écoulement.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens (25) de désencrassement d'une surface extérieure de ladite portion renflée de l'électrode (22).
  5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les moyens de désencrassement comprennent une racle (25)en contact avec au moins une portion de la surface extérieure de ladite portion renflée de l'électrode (22).
  6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les moyens de désencrassement comprennent un générateur d'ultrasons.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un circuit de refroidissement (23) est compris à l'intérieur de l'électrode (22) comportant ladite portion renflée.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une paroi extérieure (20) entourant de manière espacée la portion renflée de l'électrode (22).
  9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la paroi extérieure (20) est en matériau isolant thermiquement et électriquement.
  10. Dispositif de chauffage ohmique selon l'une quelconque des revendications precedentes, comportant une entrée (11) de fluide a chauffer entrant avec un débit d'entrée et une sortie (12) de fluide chauffé sortant avec un débit de sortie, des moyens de régulation du débit de sortie (31) et un détecteur de niveau (30), dans lequel la sortie de fluide (12)et le détecteur de niveau (30)sont placés en aval de l'électrode (22) comportant ladite portion renflée le long du trajet d'écoulement, et dans lequel le détecteur de niveau (30) transmet un signal fonction du niveau de fluide (10) en sortie aux moyens de régulation de débit de sortie.
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